全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

特斯拉"的橫空出世,讓以電動為代表的新能源車開始了與傳統汽車爭搶飯碗的時代。估計誰也不會想到,軍艦如此一個龐大的鋼鐵巨物,也緊隨著開啟了探索全電動的時代。

一、全電動的先行者

目前曝光率比較高的當屬美國和英國。美國嘗試在朱姆沃爾特級驅逐艦上試驗電力驅動的可能。畢竟這是"夢幻戰艦",什麼樣的高科技用在她的身上都不為過。

不過比較諷刺的是,朱姆沃爾特級之所以嘗試電力推動,主要是因為科幻船體重新設計了發動機的安放方式,導致傳統變速器非常不配合工作,引發了損耗及安全等方面的問題,不得不變成全電推動。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

而與之不同的是,英國早在45型導彈驅逐艦設計時就定下了電力推動的基調。軍艦選用了勞斯萊斯公司的WR-21間冷回熱燃氣輪機,配合全電設備組成了推進系統。當時這套設計可以說站在了食物鏈的頂端。

不過更可笑的是,工程師們可能不相信自己國家的軍艦能夠遠航,於是設計的WR-21燃氣輪機對溫度非常敏感。在處於溫帶海洋性氣候的大不列顛區域尚且能正常工作,待進入熱帶之後,高溫就讓WR-21趴窩了,導致英國不得不重新招標選定其他燃氣輪機。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

但作為全電動的先驅者,暫時的窘境並沒有阻擋他們的步伐。尤其是美國,海軍中將托馬斯·摩爾曾公開表示:必須繼續發展大功率電力推動系統,系統不僅要適用於普通艦艇,也要能夠裝備大型軍艦。目前俄羅斯和中國正在全力發展相關技術,有些甚至已經成為行業的新標準,美國必須跟上這樣的步伐。

二、共享充電寶

目前,軍艦的電力推動方式如同電動汽車一樣,也分為艦船版的"純電"和"混動"。一種是由柴油電力和燃氣輪機的聯合推進系統;另一種則是柴油電力或燃氣輪機的機電混合推進。

後者的設計與汽車"混動"類似,電力推進和燃氣輪機產生的動力相輔相成,減少了燃氣機的停滯頻率,從而降低了燃油消耗和維護成本。朱姆沃爾特級和45型都是出於降低交付成本和後期保修費用的目的,才重點研究電力推動的。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

當然,需要用電的不僅僅只有推進系統,武器、傳感器、艦載電子戰系統都需要用電。這些設備堆積在一起所需要的電量已經超過了上個世紀人們的見識範疇。

尤其是激光武器,基本上可以默認成各國海軍在未來的標準裝備。她被設想為對抗不對稱攻擊,包括來襲的無人飛機和小型攻擊艦船。而更加先進的電磁軌道炮未來極有可能頂替掉導彈的位置。

因此,如何對電能進行管理,讓軍艦可以在正常行駛的狀態下保持優秀的作戰性能,這是一門十分複雜的學問。目前有專家提出:高密度的蓄能裝置應與發電機採取平衡分佈式佈局,以應對電能使用和負載壓力。正常使用時,系統不能超載;進入戰鬥狀態,又必須滿足對能源的頻繁需求。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

設計師在軍艦上安裝了很多"充電寶",用來儲備電能。這些電池並不集中放置在某個艙室,而是分成若干個單元分散到各處。這樣的安排有諸多好處。

首先,在遇到武力或者網絡攻擊時,分散的電池可以保證全艦電力的穩定性和可恢復性。攻擊可能會減緩部分電力供應,但無法將其全部切斷。

其次,分散式佈局也增加了電機控制的靈活性,使電源和"充電寶"們可以隨時根據需求進行自由更改。比如專門用於供應艦載武器的和保持全艦系統正常工作的電池,還有保障軍艦推動用電的,都可以根據情況自由進行搭配和切換,這樣反過來也提高了艦船的生存能力。

最後,由於這些"充電寶"們可以自由調配,這也使得軍艦之間的"共享發電"成為了可能。常規艦隊必須有供給船跟著保證後勤,而全電力時代誰都可以成為供給船,無非是把自己的電池傳給別人罷了,這樣也減少了戰時後勤的壓力。

三、現實問題

無論未來展望地多麼美好,但是現實還是很殘酷的。軍方與科研公司都認為,目前電力推進系統的研發需要循序漸進,一步一個腳印。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

但越來越多的人們相信,電磁軌道炮和激光系統等高能武器,將在10年內應用到戰場上。然而它們都需要在以毫秒為單位的時間內達到兆瓦級的峰值功率。

這就需要具有冷、熱管理能力的專用大功率轉換器和大量的電力來支持高脈衝負載。專家們試圖用旋轉機械將高脈衝穩定在一個頻率上,但現在的科學技術還無法保證持續性。

馬上就要服役的高耗能武器、暫時無法突破的能量管控,再加上遙遙無期的全電力推動,怪不得在2018年的美國海軍裝備研討會上,海軍代表苦澀地開著玩笑:"我們用不用在軍艦上建一座發電廠?"

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

與能量管控相比,更急於解決的還有電力儲存。專家正在利用電磁學的知識研發低阻抗的能量存儲電池。原則上軍艦可以將電池作為"充電寶",可是因為技術限制,效率和可靠性都成為問題。電流發生器在連續負載下運行,不能足夠快速和動態地響應,這就意味著需要一種新型高效能源存儲方式。

此外,傳統的艦船系統工程方法是將武器、艦載系統和動力都集成在一個電氣體系平臺中,這就帶來了維護高的成本、後勤補給的複雜和冗餘空間的缺乏等問題。

四、電力船舶系統工程

艦船的電力革命一個非常系統的工程,在技術上實現突破同時,思維上也要做出響應的改變。目前無論英國還是美國都不會對現役主力艦艇進行改裝。大家都在等待一套成熟的變革制度。

有專家指出,現在的海軍技術人員和海軍工程師都知道綜合電力系統,但知道的知識並不深入。目前擁有相關知識背景、並且接觸過先進工作流程、知道設計標準和規範的人才太少。

在電動戰艦確定到來的今天,海軍工程師需要接受詳細的培訓,才能夠熟悉戰艦在複雜環境中面臨的各種問題。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

未來的動力和能源創新,已經在民用和軍事領域興起。其趨勢包括日益複雜的電力系統操作軟件、電力驅動、自主和無人系統。這些系統有望塑造海軍能源使用的未來。為了利用這些新興技術,海軍和艦船系統集成商都在創新思維,即如何利用技術來獲得與電力操作相關的成本效益,操作的靈活性和作戰的優勢。

全電推進戰艦的革命,美國最科幻戰艦第一個吃螃蟹,已取得突破

要實現這一目標就必須培養一批具有知識和技能的工程技術骨幹,以處理全船的機械、電氣、控制系統設計和繼承相關的複雜問題。這些都是實現全電動傳播設計遠景的最大障礙。

目前有些消息證明,美國已經在相關技術上出現了突破,正計劃對1萬噸以上的現役驅逐艦進行改裝。


分享到:


相關文章: